Astronomie

Peut-on détecter le rayonnement d'un trou noir ?

Peut-on détecter le rayonnement d'un trou noir ?


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Stephen Hawking a proposé qu'un trou noir émette un rayonnement lorsqu'il s'évapore.

Les trous noirs ne laissent aucun rayonnement s'échapper de leur horizon des événements car même les particules ayant la vitesse de la lumière sont piégées par leur champ magnétique.

Cela signifie-t-il que lorsque les trous noirs émettent un rayonnement, ils le réabsorbent simplement ?


Le trou noir lui-même n'émet pas le rayonnement, mais plutôt l'espace juste autour de lui. En raison des effets quantiques, de petites particules et anti-particules se créeront spontanément partout (et s'annihileront plus tard dans une collision). Si cela se produit juste en dehors de l'horizon des événements, une particule y tombera inévitablement, à ne plus jamais revoir. L'autre particule est maintenant « libre » et c'est le rayonnement prédit par Hawking.

Peut-on détecter le rayonnement d'un trou noir ?

Eh bien, ce rayonnement est bien trop petit pour être détecté par lui-même, même si le trou noir serait à notre porte. Cependant, le rayonnement rend le trou noir moins massif et plus petit et finalement il disparaîtra, produisant un flash de rayons gamma que nous espérons est détectable, même à très grande distance.
Comme @JamesK le note dans les commentaires, cette évaporation prendra extrêmement longtemps pour les trous noirs «communs» causés par les supernovae et ceux trouvés dans les centres des galaxies, mais les trous noirs primordiaux plus petits, formés au tout début de l'univers, pourraient s'évaporer maintenant et c'est pourquoi nous avons un télescope à la recherche de ces flashs gamma.


Il y a tellement de façons de détecter directement ou indirectement les trous noirs que cette réponse sera nécessairement incomplète.

Bien qu'aucune lumière ne puisse s'échapper d'un trou noir, les effets des trous noirs sur l'espace, la matière et l'activité qui les entourent sont souvent très dramatiques. L'un des moyens les plus courants consiste à utiliser un disque d'accrétion de matière en spirale autour du trou noir au fur et à mesure qu'il tombe. Voici une conception d'artiste de cela :

Au fur et à mesure que la matière tombe, la friction entre les particules la réchauffe, la faisant émettre des quantités extrêmes de rayons X et de rayons gamma. Il y a aussi souvent des jets sur les pôles du trou noir en rotation et on peut parfois voir ces jets car ils affectent la matière environnante :

Parfois, nous pouvons voir une étoile s'approcher trop près d'un trou noir et se déchirer à cause des forces de marée.

Parfois, il y a des étoiles en orbite très proche d'un trou noir, ce qui rend leur orbite ultra-rapide. Cela nous permet d'estimer la masse sur laquelle ils orbitent et de déterminer qu'il doit s'agir d'un trou noir.

Une autre astuce pour trouver des trous noirs implique la lentille gravitationnelle où la gravité du trou noir courbe la lumière derrière lui lorsqu'il passe sur son chemin vers la Terre :

Enfin, nous pourrons bientôt détecter une fusion de trou noir avec un autre objet massif via des ondes gravitationnelles en utilisant LIGO.

Cette liste n'est certainement pas complète !

Cette réponse est en quelque sorte parallèle à celle de Brandon, car je veux souligner le point sous-jacent à ces types d'observations.

Nous ne pourrons jamais observer un trou noir, car pour les observateurs extérieurs la formation d'un horizon des événements prend un temps infini. Cela peut paraître un peu pédant, mais c'est un point important car notre objectif n'est pas d'observer directement un trou noir mais plutôt de mesurer les propriétés d'un système et d'en déduire que le système doit former un trou noir.

Par exemple, prenons Sagittarius A$^*$, qui serait un trou noir supermassif au centre de notre galaxie. Nous pouvons observer des étoiles en orbite et, à partir de ces observations, calculer que sa masse est d'environ 4,1 millions de masses solaires et que sa taille est inférieure à environ 6,25 heures-lumière. Cela ne prouve pas que Sag A$^*$ est un trou noir, car le rayon de l'horizon des événements pour la masse de Sag A$^*$ est d'environ 40 secondes-lumière. Cependant, nous ne connaissons aucun moyen pour qu'une agglomération de masse avec cette densité puisse rester stable pendant toute la durée de vie de la Voie lactée, nous en déduisons donc qu'elle doit avoir formé un trou noir. Nous nous attendons à ce que les futures mesures du radiotélescope rendent les limites du rayon encore plus strictes et augmentent notre confiance que Sag A$^*$ doit être un trou noir.

Vous pouvez également prendre Cygnus X-1. Nous pouvons estimer sa masse en utilisant diverses méthodes et obtenir une masse comprise entre 10 et 20 masses solaires. Nous pouvons limiter sa taille en mesurant l'échelle de temps des changements de son émission de rayons X, et nous obtenons une limite supérieure d'environ 10$^5$km (un peu moins que le Soleil). Cela fait de Cygnus X-1 au moins une étoile à neutrons, mais en supposant que nos calculs d'équations d'état stellaires soient fiables, aucune étoile à neutrons plus lourde que 3 masses solaires ne peut résister à l'effondrement dans un trou noir. Donc encore une fois, nous pouvons déduire l'existence d'un trou noir même si nous ne pouvons pas l'observer directement.

La réponse de Brandon donne de beaux exemples des mesures que nous pouvons effectuer pour obtenir la preuve que les trous noirs existent. Le point clé à comprendre avec tout cela est que nous essayons de placer des limites inférieures sur la densité de l'objet observé. Si ces limites sont suffisamment élevées, et en supposant que notre compréhension actuelle de la physique impliquée est correcte, alors nous pouvons en déduire que l'objet est en train de former un trou noir.


Nous sommes des scientifiques qui étudions les trous noirs en utilisant les missions et les données de la NASA ! Demandez-nous n'importe quoi!

MISE À JOUR : C'est tout le temps que nous avons pour répondre aux questions. Merci beaucoup de vous joindre à nous pour un convo sur les trous noirs !

Les trous noirs sont des objets astronomiques avec une attraction gravitationnelle si forte que rien, pas même la lumière, ne peut leur échapper. La « surface » d'un trou noir, appelée horizon des événements, définit la limite où la vitesse nécessaire pour s'échapper dépasse la vitesse de la lumière, qui est la vitesse limite du cosmos. La matière et les radiations entrent, mais ne peuvent pas sortir ! Malgré leur réputation d'aspirateurs de l'univers, la gravité d'un trou noir ne se comporte pas différemment de tout autre objet - ce n'est que lorsque vous vous en approchez que les choses commencent à devenir étranges.

Les missions et les chercheurs de la NASA ont étudié les trous noirs pendant des décennies à l'aide d'un réseau de télescopes - comme Chandra, Fermi, NICER, Hubble, NuSTAR et Swift - utilisant la lumière dans presque toutes les longueurs d'onde. Les scientifiques produisent également des visualisations de la matière autour des trous noirs pour mieux comprendre les théories régissant les trous noirs et pour nous aider à donner un sens à la lumière que nous voyons.

Les scientifiques des trous noirs se réunissent aujourd'hui pour discuter et répondre à vos questions sur ces objets cosmiques exotiques et souvent mal compris !

Des scientifiques répondent à vos questions à partir de 14h. L'EDT comprend :

Bernard Kelly (BK) | Chercheur adjoint CRESST, Université du Maryland Comté de Baltimore/NASA Goddard Space Flight Center

Daryl Haggard (DH) | Professeur adjoint de physique, Université McGill

Eileen T. Meyer (ETM) | Professeur adjoint de physique, Université du Maryland Comté de Baltimore

James Radomski (JTR) | Scientifique, Observatoire stratosphérique pour l'astronomie infrarouge (SOFIA), NASA Ames Research Center

Rebecca A. Phillipson (RAP) | Harriett G Jenkins Chercheur diplômé, Université Drexel/NASA Goddard Space Flight Center

Scott Noble (SN) | [titre/organisation]

Sibasish Laha (SL) | Assistant chercheur scientifique, Université du Maryland/NASA Goddard Space Flight Center, États-Unis

Tyson Littenberg (TBL) | Astrophysicien de recherche, NASA Marshall Space Flight Center

Varoujan Gorjian (TB) | Astronome de recherche, NASA/JPL/Caltech

Le personnel de soutien aux communications aide à faciliter cette AMA :

Barb Mattson (BJM) | Scientifique en communications astrophysiques, Université du Maryland/NASA Goddard Space Flight Center

Jeanette Kazmierczak (JK) | Rédacteur scientifique junior en astrophysique, Université du Maryland/NASA Goddard Space Flight Center

Kelly Ramos (KR) | Spécialiste junior des médias sociaux en astrophysique, Syneren Technologies/NASA Goddard Space Flight Center

Sara Mitchell (SEM) | Responsable des médias sociaux en astrophysique, Université du Maryland/NASA Goddard Space Flight Center


Pouvons-nous identifier les trous noirs de Braneworld sans masse (BWBH) et les distinguer des trous de ver et Schwarzschild BH ? (Cosmologie / Astronomie)

En 2016, LIGO a détecté des ondes gravitationnelles, qui seraient des signaux de coalescence de deux trous noirs. En 2019, la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) a produit la toute première image d'un trou noir, qui se trouve au centre de la galaxie M87 à 55 millions d'années-lumière de la Terre. L'image montrait un anneau brillant avec un centre sombre, qui est l'ombre du trou noir. Ces avancées rapides dans les technologies d'observation pour détecter les trous noirs nous donneront également l'occasion de découvrir des objets compacts exotiques tels que les étoiles bosons, les gravastars, les trous de ver, les trous noirs non abéliens et les trous noirs braneworld.

Pour détecter de tels objets, il est nécessaire de comprendre à l'avance les prédictions théoriques pour l'observation. À cette fin, les conséquences observationnelles des étoiles à bosons, des gravaétoiles, des trous de ver et des trous noirs du monde brane ont été étudiées ces dernières années.

Parmi de nombreux modèles de trous noirs braneworld, les trous noirs sans masse, dans lesquels la courbure est produite uniquement par un effet de marée, sont importants sur le plan de l'observation car leurs effets de lentille gravitationnelle sont caractéristiques et discriminants. Maintenant, Ohgami et ses collègues ont étudié plus en détail la lentille gravitationnelle par les trous noirs braneworld sans masse. Plus précisément, ils ont étudié leur microlentille et leurs ombres, et se sont demandé si nous pouvions les distinguer des trous noirs de Schwarzschild standard et des trous de ver d'Ellis par des observations radio ou électromagnétiques.

Tout d'abord, ils ont étudié les angles de défection des rayons lumineux qui passent autour de ces objets. Des travaux antérieurs ont montré que les deux angles de déviation du trou noir de braneworld et du trou de ver d'Ellis sont proportionnels à 2 , tandis que celui du trou noir de Schwarzschild à α¯ 1 . Ohgami et al. donc spéculé que le trou noir braneworld et le trou de ver d'Ellis peuvent présenter des caractéristiques similaires dans les phénomènes de microlentille.

FIGUE. 1 : Résultats numériques de la luminosité du rayonnement pour le trou noir de Schwarzschild (rouge), le trou noir braneworld (bleu) et le trou de ver d'Ellis (vert). © Ohgami et al.

Pour élucider les conséquences observationnelles de ces phénomènes de microlentille, ils ont calculé des images d'un objet source optique derrière un objet lentille pour les trois modèles et leurs courbes de lumière. Ils ont découvert que pour le trou noir braneworld ainsi que pour le trou de ver d'Ellis, la réduction de la luminosité apparaît juste avant et après l'amplification. Cela signifie que les observations d'une telle réduction indiqueraient que l'objet lentille est soit un trou noir du monde brane, soit un trou de ver, bien qu'il soit difficile de distinguer l'un de l'autre par la seule microlentille.

FIGUE. 2:Mise en place de leur analyse pour l'obtention d'images optiques. Ils ont mis un observateur, une source de gravité et de la poussière qui l'entoure. La poussière tombe constamment dans la source de gravité © Ohgami et al.

Ainsi, ils ont ensuite analysé les images optiques du trou noir du monde brane entouré de poussière optiquement mince et les ont comparées à celles du trou de ver d'Ellis. Parce que l'espace-temps autour du trou noir braneworld possède des orbites circulaires instables de photons, un anneau brillant apparaît dans l'image, tout comme dans l'espace-temps de Schwarzschild ou dans l'espace-temps du trou de ver. Cela indique que l'apparition d'un anneau brillant ne confirme pas uniquement un trou noir braneworld, un Schwarzschild, ni un trou de ver d'Ellis. Cependant, ils ont constaté que seulement pour le trou de ver, l'intensité à l'intérieur de l'anneau est plus grande que l'intensité extérieure. Leurs résultats signifient que les observations d'ombres distingueraient les trous noirs des trous de ver d'Ellis.

Ils ont donc conclu qu'avec de futures observations interférométriques à très longue base de référence à haute résolution de microlentilles et d'ombres combinées, nous pourrions identifier les trous noirs du monde brane s'ils existent.

Référence: M. Kuniyasu, K. Nanri, N. Sakai, T. Ohgami, R. Fukushige, S. Koumura, “Peut-on identifier les trous noirs sans masse de braneworld par des observations ?”, Phys. Rév. D 97, 104063 – Publié le 29 mai 2018. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.104063

Le droit d'auteur de cet article appartient totalement à notre auteur S. Aman. On n'est autorisé à le réutiliser qu'en donnant un crédit approprié soit à lui soit à nous


Aujourd'hui, voir un objet se fait en grande partie en capturant les ondes électromagnétiques émises ou réfléchies par cette chose et en formant une image de cet objet. Les trous noirs ne réfléchissent ni n'émettent d'ondes électromagnétiques (à l'exception du rayonnement de Hawking qui peut être trop faible pour la vision). La raison de ne pas réfléchir et de ne pas émettre est que l'énorme gravité du trou noir ne laisse rien y compris la lumière s'en échapper.

Cependant, si les scientifiques parviennent à détecter les ondes gravitationnelles, il sera alors possible de voir des trous noirs sous forme d'ondes gravitationnelles. Jusque-là, les trous noirs ne peuvent être détectés qu'en raison de leur influence sur la lumière et les étoiles proches.

Par définition, un trou noir est un objet si massif que sa gravité empêche quoi que ce soit de lui échapper, y compris la lumière, une fois à l'intérieur de son horizon des événements. Ses effets peuvent cependant être observés. Il apparaîtrait comme une sphère noire sur fond d'étoiles et autres.

L'horizon des événements d'un trou noir marque la limite d'un champ gravitationnel si fort que tout objet connu dans cet univers, y compris un photon de lumière, devrait atteindre une vitesse de fuite supérieure à la vitesse de la lumière afin de surmonter l'attraction du champ gravitationnel. Comme la vitesse de la lumière marque la limite supérieure de vitesse dans cet univers selon la Relativité Générale, la lumière ne peut pas atteindre la vitesse d'échappement requise.

En dehors de l'horizon des événements, les effets d'un trou noir sont visibles. La lumière de ces effets finira par atteindre un observateur. Mais à l'intérieur de l'horizon des événements, les photons se dirigent vers un futur invisible pour un observateur extérieur.

Chaque objet a une vitesse d'échappement, la vitesse à laquelle s'il est donné à un objet, ledit objet ne retombera jamais. Sur Terre, c'est 11,19 mètres par seconde. Pour un trou noir, cette vitesse est supérieure à la vitesse de la lumière ou 299 792 458 mètres par seconde. Si la vitesse d'échappement est supérieure à cela, alors la lumière n'a pas une vitesse suffisante pour s'échapper dudit objet.

Oui, tu as raison. Nous voyons l'objet parce que lorsque la lumière frappe l'objet, elle se réfléchit et atteint notre œil à travers l'espace, dont l'image est faite à Rétine..

Le champ gravitationnel de Black Hole est si fort que même pas une lumière ne peut s'en échapper. Bien que nous ne puissions pas voir un trou noir lui-même, mais nous pouvons voir les effets du trou sur la matière proche. Nous pouvons le détecter à l'aide d'un télescope à rayons X (comme .. Observatoire de rayons X Chandra)

Ainsi, si le gaz d'une étoile proche était aspiré vers le trou noir, l'énergie gravitationnelle intense chaufferait le gaz à des millions de degrés. Les émissions de rayons X qui en résultent pourraient indiquer la présence du trou noir.

Black Hole émet une énorme quantité de rayons X, mais notre atmosphère en absorbe principalement, il est donc très difficile de détecter les rayons X ici, donc nous avons télescopes spatiaux pour détecter les sources de rayons X de loin.


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Les scientifiques des trous noirs se réunissent aujourd'hui pour discuter et répondre à vos questions sur ces objets cosmiques exotiques et souvent mal compris !

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Les scientifiques détectent des changements rapides dans un trou noir qui pourraient expliquer les sursauts gamma

Crédit : CC0 Domaine Public

Certains des trous noirs les plus massifs et les plus éloignés de l'univers émettent une énorme quantité de rayonnement extraordinairement énergétique appelé rayons gamma. Ce type de rayonnement se produit, par exemple, lorsque la masse est convertie en énergie lors des réactions de fission qui font fonctionner les réacteurs nucléaires sur Terre. Mais dans le cas des trous noirs, le rayonnement gamma est encore plus énergétique que celui produit dans les réacteurs nucléaires et y est le produit de processus très différents, les rayons gamma sont créés par des collisions entre des rayons lumineux et des particules très énergétiques nées au voisinage des trous noirs. trous par des mécanismes encore mal connus.

À la suite de ces collisions entre la lumière et la matière, les particules énergétiques donnent presque tout leur élan aux rayons lumineux et les transforment en rayonnement gamma qui finit par atteindre la Terre.

La communauté scientifique astronomique soupçonne que ces collisions se produisent dans des régions imprégnées de puissants champs magnétiques soumis à des processus très variables, tels que la turbulence et les reconnexions magnétiques - des champs magnétiques qui fusionnent, libérant une quantité étonnante d'énergie - qui pourraient se produire dans les jets de matière expulsée par les trous noirs. Mais sonder ces champs magnétiques à des milliards d'années-lumière de la Terre nécessite des appareils très sensibles et de trouver le moment exact où l'émission de haute énergie a lieu.

C'est précisément ce qu'a réalisé l'équipe de recherche dirigée par Iván Martí-Vidal, chercheur CIDEGENT du gouvernement valencien à l'Observatoire astronomique et au Département d'astronomie de l'Université de Valence, et principal auteur de ce travail. Cette équipe a utilisé ALMA (Atacama Large Millimeter Array), le télescope le plus sensible au monde aux longueurs d'onde millimétriques, pour obtenir des informations précises sur les champs magnétiques d'un trou noir lointain, à un moment où des particules énergétiques produisaient une énorme quantité de gamma radiation.

Dans un article récemment publié dans Astronomie & Astrophysique, les scientifiques rapportent des observations du trou noir appelé PKS1830-211, situé à plus de 10 milliards d'années-lumière de la Terre. Ces observations démontrent que les champs magnétiques dans la région où sont produites les particules les plus énergétiques du jet du trou noir changeaient de structure notamment dans un intervalle de temps de quelques minutes seulement.

"Cela implique que les processus magnétiques proviennent de régions très petites et turbulentes, comme le prédisent les principaux modèles de production de rayons gamma dans les trous noirs, qui relient la turbulence au rayonnement gamma", explique Iván Martí-Vidal. "D'autre part, les changements que nous avons détectés ont eu lieu lors d'un épisode de rayons gamma très puissant, ce qui nous permet de les relier de manière robuste à l'émission de haute énergie. Tout cela nous rapproche un peu plus de la compréhension de l'origine de la rayonnement le plus énergétique de l'univers », ajoute-t-il.

Interférométrie et nouveaux algorithmes

Pour analyser ces données, l'équipe de Martí-Vidal a utilisé une technique d'analyse avancée qui leur permet d'obtenir des informations sur des sources changeant rapidement à partir d'observations interférométriques, telles que celles obtenues avec ALMA. "L'interférométrie nous donne le pouvoir d'observer l'univers avec un niveau de détail inégalé en fait, c'est la technique sur laquelle repose également le télescope Event Horizon (EHT), qui a récemment obtenu la première image d'un trou noir", explique Martí. -Vidal. « Une partie de notre projet CIDEGENT est en effet dédiée au développement d'algorithmes comme celui que nous avons utilisé dans ces observations ALMA, mais applicables à des données beaucoup plus complexes comme celles de l'EHT, qui permettraient de reconstruire, dans un dans un avenir proche, des "films" de trous noirs, au lieu de simples images", explique l'astronome de l'Université de Valence.

Alejandro Mus, prédoctorant CIDEGENT au département UV d'astronomie et co-auteur de l'article, développe sa thèse de doctorat dans ce domaine. « Au sein du projet EHT, de nombreux experts de plusieurs institutions travaillent sans relâche pour résoudre le problème de la variabilité rapide des sources », explique Mus. « Pour le moment, l'algorithme que nous avons développé fonctionne avec les données d'ALMA et nous a déjà permis d'obtenir des informations clés sur l'évolution des champs magnétiques associés au PKS1830-211 à des échelles de quelques dizaines de minutes. Nous espérons pouvoir contribuera bientôt à l'EHT avec les algorithmes plus sophistiqués sur lesquels nous travaillons », conclut-il.


Ces expériences de nouvelle génération peuvent confirmer l'existence d'un trou noir primordial (astronomie)

Valentina De Romeri et ses collègues ont étudié la possibilité de détecter les neutrinos à partir des PBH en évaporation avec de futures expériences sur les neutrinos. Ils ont découvert que les expériences sur les neutrinos de nouvelle génération comme DUNE et THEIA seront capables de détecter les neutrinos des PBH en évaporation et fourniront des informations pertinentes sur la nature de la matière noire (DM). Leur étude est parue récemment dans Arxiv.

Les trous noirs primordiaux sont un type hypothétique de trous noirs qui se sont formés peu après le Big Bang. Ils ne sont pas baryoniques et sont des candidats possibles de la matière noire. Plusieurs études ont révélé que les trous noirs primordiaux légers s'évaporaient et émettaient des flux importants de neutrinos MeV par évaporation via le rayonnement de Hawking.

Maintenant, Valentina De Romeri et ses collègues ont étudié la possibilité de détecter ces neutrinos avec les futures expériences sur les neutrinos : DUNE et THEIA. La spécialité de ces expériences sont, elles s'appuieront sur différentes technologies de détecteurs, l'argon liquide pour DUNE et le scintillateur liquide à base d'eau pour THEIA. Cela leur permet de fournir des informations complémentaires sur la détection éventuelle de neutrinos MeV issus de l'évaporation des PBH.

Fig. 1:Attendu à 95% C.L. sensibilités sur la fraction de MS sous forme de PBH (fPBH) en fonction de MPBH à DUNE. Le panneau de gauche suppose une distribution de masse monochromatique des PBH et trois spins différents. Le panneau de droite est pour une distribution de masse PBH log-normale avec différentes largeurs © Valentina De Romeri et al.

Ils ont également étudié comment, en fonction de la masse et du spin des trous noirs primordiaux, le flux de neutrinos attendu changerait. De plus, ils ont considéré les distributions de masse de PBH monochromatiques et étendues.

« Nous simulons les spectres d'événements attendus dans les deux expériences en supposant des distributions de masse et des spins différents de PBH, et nous extrayons les 95 % C.L. attendus. sensibilités à ces scénarios.”

Ils ont montré que DUNE et THEIA pouvaient considérablement améliorer les limites existantes de SuperKamiokande sur l'abondance des PBH avec des masses comprises entre 10 15 et 10 16 g et même permettre de sonder des PBH plus lourds. DUNE est spécialement conçu pour la détection des trous noirs primordiaux de faible masse, c'est-à-dire en dessous

3 × 10 15 . Au fur et à mesure que la masse de PBH augmente, le flux global diminue et il est déplacé vers des énergies plus basses. La limite d'énergie basse de DUNE pour ces recherches est fixée à 16 MeV, car à des énergies plus basses, le flux de neutrinos solaires serait d'un ordre de grandeur plus important. La sensibilité de DUNE est légèrement pire pour des masses de PBH plus importantes. Et c'est à ce moment-là qu'intervient THEIA. La limite d'énergie basse de THEIA pour ces recherches est d'environ 10-20 MeV et elle peut améliorer la sensibilité aux PBH de masses supérieures à ∼ 8×10 15 g par rapport à la sensibilité d'un liquide scintillateur, en réduisant le bruit de fond important des neutrinos atmosphériques.

Figure 2:Attendu à 95% C.L. sensibilités sur la fraction de MS sous forme de PBH (fPBH) en fonction de MPBH à THEIA, en supposant 20/80 kton de volume de référence (panneaux supérieur/inférieur). Les panneaux de gauche supposent une distribution de masse monochromatique des PBH et trois spins différents. Les panneaux de droite sont pour une distribution de masse PBH log-normale avec différentes largeurs © Valentina De Romeri et al

De plus, si les PBH suivent une distribution de masse monochromatique, DUNE et THEIA pourront exclure les PBH non rotatifs comme seul composant de la matière noire jusqu'à des masses allant jusqu'à 7 × 10 15 g et 9 × 10 15 g, respectivement.

De plus, ils ont découvert que, si les PBH tournent, le flux de neutrinos est amélioré. Ainsi, les sensibilités dérivées sur leur abondance sont plus fortes.

« Les futures expériences sur les neutrinos comme DUNE et THEIA seront en mesure de définir des contraintes concurrentielles sur la matière noire PBH, fournissant ainsi des sondes complémentaires dans une partie de l'espace des paramètres PBH actuellement limité principalement par les données photoniques.

— ont conclu les auteurs de l'étude

Référence: Valentina De Romeri, Pablo Martínez-Miravé, Mariam Tórtola, “Signatures of primordial black hole dark matter at DUNE et THEIA”, Arxiv, 2021. https://arxiv.org/abs/2106.05013

Remarque pour les éditeurs d'autres sites Web : Pour réutiliser cet article en tout ou en partie, veuillez donner crédit à notre auteur/éditeur S. Aman ou fournir un lien de notre article


Comment trouver et étudier un trou noir

Imaginez, quelque part dans la galaxie, le cadavre d'une étoile si dense qu'elle perce le tissu de l'espace et du temps. Si dense qu'il dévore toute matière environnante qui s'approche trop près, l'entraînant dans un tourbillon de gravité dont rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper.

Et une fois que la matière franchit le point de non-retour, l'horizon des événements, elle spirale impuissante vers un point presque infiniment petit, un point où l'espace-temps est si courbé que toutes nos théories s'effondrent : la singularité. Personne n'en sort vivant.

Les trous noirs semblent trop étranges pour être réels. Mais ils sont en fait assez communs dans l'espace. Il y en a des douzaines connues et probablement des millions d'autres dans la Voie lactée et un milliard de fois ce qui se cache à l'extérieur. Les scientifiques pensent également qu'il pourrait y avoir un trou noir supermassif au centre de presque toutes les galaxies, y compris la nôtre. L'élaboration et la dynamique de ces déformations monstrueuses de l'espace-temps ont déconcerté les scientifiques depuis des siècles.

Une histoire de trous noirs

Tout a commencé en Angleterre en 1665, lorsqu'une pomme s'est cassée d'une branche d'arbre et est tombée au sol. Regardant de son jardin à Woolsthorpe Manor, Isaac Newton a commencé à penser à la descente de la pomme : une ligne de pensée qui, deux décennies plus tard, s'est terminée par sa conclusion qu'il doit y avoir une sorte de force universelle régissant le mouvement des pommes et des boulets de canon et même planétaire corps. Il appelait ça la gravité.

Newton s'est rendu compte que tout objet ayant une masse aurait une attraction gravitationnelle. Il a découvert que lorsque la masse augmente, la gravité augmente. Pour échapper à la gravité d'un objet, vous devez atteindre sa vitesse d'échappement. Pour échapper à la gravité de la Terre, vous auriez besoin de voyager à une vitesse d'environ 11 kilomètres par seconde.

C'est la découverte par Newton des lois de la gravité et du mouvement qui, 100 ans plus tard, a conduit le révérend John Michell, un grand penseur britannique, à la conclusion que s'il y avait une étoile beaucoup plus massive ou beaucoup plus comprimée que le soleil, sa vitesse de fuite pourrait dépasser même la vitesse de la lumière. Il a appelé ces objets "étoiles noires". Douze ans plus tard, le scientifique et mathématicien français Pierre Simon de Laplace est arrivé à la même conclusion et a offert la preuve mathématique de l'existence de ce que nous appelons maintenant les trous noirs.

En 1915, Albert Einstein a présenté la théorie révolutionnaire de la relativité générale, qui considérait l'espace et le temps comme un objet courbe à quatre dimensions. Plutôt que de considérer la gravité comme une force, Einstein la considérait comme une déformation de l'espace et du temps lui-même. Un objet massif, tel que le soleil, créerait une brèche dans l'espace-temps, un puits gravitationnel, obligeant tous les objets environnants, tels que les planètes de notre système solaire, à suivre une trajectoire incurvée autour de lui.

Un mois après qu'Einstein a publié cette théorie, le physicien allemand Karl Schwarzschild a découvert quelque chose de fascinant dans les équations d'Einstein. Schwarzschild a trouvé une solution qui a conduit les scientifiques à la conclusion qu'une région de l'espace pouvait devenir si déformée qu'elle créerait un puits gravitationnel auquel aucun objet ne pourrait s'échapper.

Jusqu'en 1967, ces régions mystérieuses de l'espace-temps n'avaient pas reçu de titre universel. Les scientifiques ont utilisé des termes tels que « collapsar » ou « étoile gelée » lorsqu'ils ont discuté des sombres parcelles de la gravité inévitable. Lors d'une conférence à New York, le physicien John Wheeler a popularisé le terme « trou noir ».

Comment trouver un trou noir

Lors de la formation de l'étoile, la gravité comprime la matière jusqu'à ce qu'elle soit arrêtée par la pression interne de l'étoile. Si la pression interne n'arrête pas la compression, cela peut entraîner la formation d'un trou noir.

Certains trous noirs se forment lorsque des étoiles massives s'effondrent. D'autres, pensent les scientifiques, se sont formés très tôt dans l'univers, un milliard d'années après le big bang.

Il n'y a pas de limite à l'ampleur d'un trou noir, parfois plus d'un milliard de fois la masse du soleil. Selon la relativité générale, il n'y a pas non plus de limite à leur taille (bien que la mécanique quantique suggère le contraire). Les trous noirs grandissent en masse alors qu'ils continuent de dévorer la matière environnante. Les trous noirs plus petits accumulent de la matière à partir d'une étoile compagnon tandis que les plus gros se nourrissent de toute matière qui s'approche trop près.

Les trous noirs contiennent un horizon des événements, au-delà duquel même la lumière ne peut s'échapper. Parce qu'aucune lumière ne peut sortir, il est impossible de voir au-delà de cette surface d'un trou noir. Mais ce n'est pas parce que vous ne pouvez pas voir un trou noir que vous ne pouvez pas en détecter un.

Scientists can detect black holes by looking at the motion of stars and gas nearby as well as matter accreted from its surroundings. This matter spins around the black hole, creating a flat disk called an accretion disk. The whirling matter loses energy and gives off radiation in the form of X-rays and other electromagnetic radiation before it eventually passes the event horizon.

This is how astronomers identified Cygnus X-1 in 1971. Cygnus X-1 was found as part of a binary star system in which an extremely hot and bright star called a blue supergiant formed an accretion disk around an invisible object. The binary star system was emitting X-rays, which are not usually produced by blue supergiants. By calculating how far and fast the visible star was moving, astronomers were able to calculate the mass of the unseen object. Although it was compressed into a volume smaller than the Earth, the object's mass was more than six times as heavy as our sun.

Several different experiments study black holes. The Event Horizon Telescope will look at black holes in the nucleus of our galaxy and a nearby galaxy, M87. Its resolution is high enough to image flowing gas around the event horizon.

Scientists can also do reverberation mapping, which uses X-ray telescopes to look for time differences between emissions from various locations near the black hole to understand the orbits of gas and photons around the black hole.

The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, or LIGO, seeks to identify the merger of two black holes, which would emit gravitational radiation, or gravitational waves, as the two black holes merge.

In addition to accretion disks, black holes also have winds and incredibly bright jets erupting from them along their rotation axis, shooting out matter and radiation at nearly the speed of light. Scientists are still working to understand how these jets form.

What we don't know

Scientists have learned that black holes are not as black as they once thought them to be. Some information might escape them. In 1974, Stephen Hawking published results that showed that black holes should radiate energy, or Hawking radiation.

Matter-antimatter pairs are constantly being produced throughout the universe, even outside the event horizon of a black hole. Quantum theory predicts that one particle might be dragged in before the pair has a chance to annihilate, and the other might escape in the form of Hawking radiation. This contradicts the picture general relativity paints of a black hole from which nothing can escape.

But as a black hole radiates Hawking radiation, it slowly evaporates until it eventually vanishes. So what happens to all the information encoded on its horizon? Does it disappear, which would violate quantum mechanics? Or is it preserved, as quantum mechanics would predict? One theory is that the Hawking radiation contains all of that information. When the black hole evaporates and disappears, it has already preserved the information of everything that fell into it, radiating it out into the universe.

Black holes give scientists an opportunity to test general relativity in very extreme gravitational fields. They see black holes as an opportunity to answer one of the biggest questions in particle physics theory: Why can't we square quantum mechanics with general relativity?

Beyond the event horizon, black holes curve into one of the darkest mysteries in physics. Scientists can't explain what happens when objects cross the event horizon and spiral toward the singularity. General relativity and quantum mechanics collide and Einstein's equations explode into infinities. Black holes might even house gateways to other universes called wormholes and violent fountains of energy and matter called white holes, though it seems very unlikely that nature would allow these structures to exist.



Commentaires:

  1. Vokus

    Et qu'on se passerait de ta remarquable phrase

  2. Kazisho

    Invite, que je peux demander?

  3. Tukinos

    Je suis désolé, mais, à mon avis, des erreurs sont commises. Je propose d'en discuter. Écrivez-moi dans PM, cela vous parle.

  4. Orlando

    Phrase merveilleusement, très utile



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